CN112326744A - 一种三维电容层析成像信号检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种三维电容层析成像信号检测系统，传感器子系统(1)的主电极片阵列(7)通过数据线连接数据采集及信号处理子系统(2)，数据采集及信号处理子系统(2)连接成像子系统(3)。通过与传感器子系统(1)连接的数据采集及信号处理子系统(2)，将检测电极(10)与激励电极对(9)之间电容值转换为检测电极(10)上的电压信号，并经数据采集及信号处理子系统(2)对测量信号进行放大、滤波，传输至成像子系统(10)，通过成像子系统(10)内置的ECT成像算法模块重建传感器子系统(1)中三维测量空间(5)内被测工质的介电常数分布。本发明可以在不增加信号采集通道数量的前提下扩展有效测量数据量，提高成像系统的空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉一种三维电容层析成像信号检测系统。
背景技术
电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,简称ECT)是一种基于电容敏感原理的非侵入式过程成像技术，在被测管道周围安装电极片阵列，当测量区域内被测介质的形态、分布发生变化时，会引起电极片阵列的电容值改变，通过获取测量区域在不同观测角度下的电容值，根据相应的图像反演算法，可以重建出被测介质的介电常数分布信息。电容层析成像技术具有成本低、响应速度快、安全性好、适用范围广等优点，在石油、化工、电力、冶金等工业过程两相流或多相流检测中应用广泛。
传统的电容层析成像系统通常只布置一层测量极板，获得二维断层面的重建图像。传统的电极片布置方式显然无法有效获取测量内被测介质的轴向信息，且所获得的二维截面图像是介质分布在三维空间叠加的结果，并不是真正的二维断层图，这也是传统ECT的主要缺点之一。鉴于此，研究者提出了基于电容层析成像的三维图像重建及时，分为间接三维和直接三维两种图像重建方式。间接三维ECT系统是先由传统ECT传感器重建出一系列二维断层图，再对这些二维断层图进行插值运算，获得三维重建图像。间接三维成像法只能测量区域内的轴向平均结果，轴向分辨率较低。直接三维ECT方法是在被测管道或容器外布置多层极板，不仅测量同层极板对间的电容值，还不同层极板对间的电容值，通过多个断层的数据来反映三维ECT成像结果。由于三维图像直接在重建过程中产生，不经过二维断层成像这一环节，有效降低了误差，提高三维重建图像的轴向分辨率。
对于直接三维成像技术，传感器的优化设计，尤其是传感器的电容测量部分优化是其关键技术。现有的直接三维传感器对其电极片阵列采用的轮换激励和检测的模式，即每一个电极片有发射和接收两种模式，既可以作为激励电极也可以作为检测电极，通过控制模块控制CMOS模拟开关来选择的电极片的工作模式。在这种情况下，电容层析成像传感器采集的有效电容测量值个数为n*(n-1)/2，其中n为信号采集通道数量，一般为8、12或16个。由于信号采集通道数量与传感器上检测电极的数量一一对应，所以对于同一个被测介质，传感器上的检测电极数量越多，获得的有效测量数据量就越多，重建图像的空间分辨率也越高，然而检测电极的数量增多会增加信号采集通道数量，不但大大提高了成本，同时也增加了信号处理及图像重建的时间，降低了系统的实时性。
中国专利CN106370705A公开了一种三维电容层析成像传感器，用于流体参数测量，该发明的电极片采用螺旋结构布置，用于提高三维成像的轴向分辨率。其激励和检测模式仍采用传统的轮换模式。
中国专利CN111198210A公开了一种三维电容层析成像传感器及其成像装置，其传感器采用嵌入排布方式，用于提高电容层析成像传感器三维成像质量。其激励和检测模式仍采用传统的轮换模式。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种非传统激励和检测模式的三维电容层析成像信号检测系统。本发明可以在不增加信号采集通道数量的前提下扩展有效测量数据量，提高成像系统的空间分辨率。
本发明三维电容层析成像信号检测系统包括传感器子系统、数据采集及信号处理子系统和成像子系统。所述传感器子系统的主电极片阵列通过数据线连接数据采集及信号处理子系统的输入/输出端口(I/O端口)，数据采集及信号处理子系统通过USB线连接成像子系统。
所述传感器子系统包括绝缘管、屏蔽罩、主电极片阵列和屏蔽电极，其中主电极片阵列分为激励电极对阵列和检测电极片阵列。所述的绝缘管为PVC或有机玻璃等绝缘材料制成的空心结构管道，绝缘管外周布置有金属片围成的屏蔽罩，用于屏蔽外界环境中的电磁噪声信号的干扰。绝缘管内的空腔为传感器的测量空间，工作时，被测工质通入绝缘管空腔内。所述主电极片阵列由无连接关系的多组主电极片组成，分为三层，位于屏蔽罩内，固定在绝缘管外壁，其中位于同一圆周径向位置的三个电极片成为一组主电极片，每组主电极片由一个独立的检测电极片和两个相互连通的激励电极片组成；检测电极片位于一组主电极片的中间，两个激励电极片分别位于检测电极片的上下两端，通过导线或金属片连接成一组激励电极对。多组主电极片均匀固定在绝缘管外壁，位于同一平面。所述主电极片阵列的上下两端布置有呈环形结构的屏蔽电极，主电极片与屏蔽电极采用可导电的金属材料，如铜箔制成。传感器工作时，主电极片阵列通过数据线连接数据采集及信号处理子系统的输入/输出端口(I/O端口)，其中激励电极对阵列通过数据采集及信号处理子系统的输入/输出端口(I/O端口)与电压激励信号源模块连接，电压激励信号源模块输出的电压信号施加在激励电极对上，检测电极片阵列通过数据采集及信号处理子系统的输入/输出端口(I/O端口)与信号检测处理模块连接，将检测电极片上的电压信号传输至信号检测处理模块的输入端。屏蔽电极通过导线与绝缘管外周布置的屏蔽罩连接，并进行接地处理，使屏蔽电极和屏蔽罩均处于零电势，用于屏蔽外界环境中的电磁噪声信号对于主电极阵列测量信号的干扰。
数据采集及信号处理子系统包括电压激励信号源模块、信号检测处理模块和控制模块。电压激励信号源模块由信号发生器和多路选择开关组成，信号发生器用于产生稳定的正弦信号激励，如频率为500kHz，幅值为15V的正弦激励信号。信号发生器的输入端连接控制模块，信号发生器的输出端与多路选择开关的输入端相连，并根据控制模块输入的选择控制信号，将信号发生器产生的电压激励信号施加到对应的激励电极阵列的电极片上。信号检测处理模块由电容-电压转换电路和信号调理模块组成。电容-电压转换电路接收控制模块输出的控制信号，在该控制信号下，电容-电压转换电路采集检测电极上流通界面边沿上的电压。电容-电压转换电路的输入端连接数据采集及信号处理子系统的输入/输出端口(I/O端口)，激励电极对与检测电极片之间的待测电容信号经电容-电压转换电路后，可等效为检测电极片上采集的电压信号；电容-电压转换电路的输出端连接信号调理模块的输入端，信号调理模块将接收的测量电压信号进行放大、滤波等调理后，提取检测电压信号的直流分量通过USB线连接成像子系统的输入端。控制模块主要为微控制器，控制模块的输入端连接成像子系统，用于接收成像子系统的控制命令，控制模块的输出端分别与电压激励信号源模块的输入端、信号检测处理模块的输入端连接。
所述电压激励信号源模块的输入端连接控制模块，电压激励信号源模块的一个输出端接地，另一输出端与传感器子系统中的激励电极对阵列连接，用于在激励电极对上施加激励电压信号；所述信号检测处理模块的输入端连接控制模块和传感器子系统中的激励电极对阵列和检测电极片阵列，信号检测处理模块的输出端连接成像子系统。所述控制模块输入端连接成像子系统，控制模块的输出端分别与电压激励信号源模块的输入端、信号检测处理模块的输入端连接。
所述成像子系统包括电容层析成像算法模块。数据采集及信号处理子系统的信号检测处理模块的输出信号连接成像子系统的输入端，经电容层析成像算法模块运算后，对三维测量空间内介电常数分布进行成像。所述的电容层析成像算法为基于三维敏感度的直接三维成像算法。所谓敏感度是描述传感器系统中介质的分布信息与极板间待测电容值之间的关系，本发明采用一种近似的三维敏感度计算方法，即电场强度法。该方法首先将传感器子系统的三维测量空间离散成若干个像素体，通过仿真计算得到在激励电极对Γi上施加幅值为U的电压后的三维测量空间内每个像素体上的电场强度Ei(x,y,z)，再通过仿真计算得到在检测电极片上施加幅值为U的电压后，三维测量空间内每个像素体上的电场强度Ej(x,y,z)，激励电极对Γi与检测电极片Γj之间第k个像素体的敏感度值可以按下式近似计算：
式中：x，y，z为第k个像素体的空间坐标，U为施加的激励电压幅值，Ei(x,y,z)和Ej(x,y,z)分别为对激励电极对Γi和检测电极片Γj施加电压时第k个像素体上的电场强度；Vk为第k个像素体的体积；i和j分别表示激励电极对和检测电极片的序号，且1≤i≤n,1≤j≤n，n为传感器子系统中的主电极片的组数。
根据式(1)计算得到的敏感度值包含了三维的空间信息，且由于激励电极对与检测电极片不在同一平面，因此该敏感度值可以很好地反映三维测量空间内介质的分布信息与极板电容值间的关系，不仅可以得到三维测量空间径向横断面的成像信息，还可以得到三维测量空间的轴向成像信息，使本发明信号检测系统具有三维成像特性，且重建图像具有较好的轴向分辨率。
每个像素体上的电位值由麦克斯韦方程组确定。三维测量空间内电位分布满足如下静电场拉普拉斯方程：
式中，ε0为真空介电常数，ε(x,y,z)为空间相对介电常数分布，φ(x,y,z)为空间电势分布，
为Nabla算子，x，y，z为三维测量空间的坐标。
激励电极对与检测电极片对应的边界条件不同，分别为：
激励电极对阵列的Dirichlet边界条件
式中，i和k均为激励电极对的序号，且1≤i≤n，1≤k≤n，n为传感器子系统的主电极片的组数，其中Γi表示激励电极对阵列中施加了激励电压的激励电极对，也称源电极对，Γk表示激励电极对阵列中除源电极对之外的其余电极对，U为施加在源电极片的激励电压值。
检测电极阵列的Dirichlet边界条件
φ(Γj)＝0 (4)
式中，j为检测电极片的序号，且1≤j≤n，n为传感器子系统的主电极片的组数，Γj表示检测电极阵列的检测电极片。
通过式(2)、式(3)和式(4)可以求解出三维测量空间内每个像素体上的电位值，进而根据式(1)可以得到三维测量空间的敏感度矩阵。
根据敏感度矩阵重建传感器测量空间内介电常数分布的ECT重建算法在现有的文献、专著等资料中有详细的论述，线性反投影(LBP)、Tikhonov正则化法、截断的奇异值分解法(TSVD)和Landweber迭代法等算法，都可以直接应用于本发明的成像方法中。
本发明三维电容层析成像信号检测系统中传感器子系统获得测量电容值数组的过程如下：
将传感器子系统的电极片阵列中N组主电极片按逆时针方向编号，电极的序号为i，1≤i≤N，整个测量过程中保持所有的检测电极均接地或与地同电位，一次测量过程中，包括以下步骤：
第1步，通过电压激励信号源模块，对序号为1的激励电极对上施加幅值为U的正弦交流电压，使之成为源电极对。数据采集及信号处理子系统采集所有检测电极上的电压值，得到序号为1的源电极对与序号为1到N共N个检测电极之间的电容值；
第2步，通过电压激励信号源模块对序号为2的激励电极对上施加幅值为U的正弦交流电压，使之成为源电极，数据采集及信号处理子系统通过采集所有检测电极上的电压值，得到序号为2的源电极对与序号为1到N共N个检测电极之间的电容值；
以此类推，第N步，通过电压激励信号源模块对序号为N的激励电极上施加幅值为U的正弦交流电压，使之成为源电极，数据采集及信号处理子系统采集所有检测电极上的电压值，得到序号为N的源电极对与序号为1到N共N个检测电极之间的电容值；
因此，一次测量过程共可得到N×N个相互独立的测量电容变化值。测量时，检测电极阵列的每一个电极片连接与其对应的数据采集及信号处理子系统的输入端；数据采集及信号处理子系统可实现N个信号采集通道的同步数据采集，通过数据采集及信号处理子系统将源电极与检测电极之间的测量电容值转换为检测电极上的电压信号，同时将采集的电压信号进行放大、滤波等调理，通USB接口传输给成像子系统。
传感器在测量前首先要进行标定。一般选取测量空间为空场时，激励电极与检测电极之间的电容值数组作为低标定值，将测量空间充满介电常数比被测工质稍高的材料时，激励电极与检测电极之间的电容值数组作为高标定值，再将测量空间内材料清空，此时传感器测量得到的电容值可用于反映工质状态。例如，用于多相流检测，可将被测工质通入绝缘管内，获取工质的介电常数分布。
本发明三维电容层析成像信号检测系统整体工作过程如下：
1)通过介电常数已知的材料对传感器子系统进行标定；
2)在传感器子系统的测量空间内通入被测工质，经数据采集及信号处理子系统获得测量电容值数组；
3)在成像子系统内通过ECT重建算法对测量电容数组进行图像重建，得到传感器子系统的测量空间内被测工质的介电常数三维分布。
本发明在多通道同步采集的原理是：由于本发明中激励电极与检测电极是分离的，每个电极片对应具体的激励或检测模式，无需通过开关切换来选择电极的工作方式，既可以简化硬件系统的设计，又大大缩减了硬件切换时间，实现多通道同步采集，有效提高本发明三维电容层析成像信号检测系统的信号采集速率。
本发明的有益效果是，在不增加信号采集通道数量的前提下增加了有效测量数据量，提高成像子系统的空间分辨率。由于本发明的电容测量部分中激励电极对阵列与检测电极阵列是分离的，激励其中一组激励电极对，可以获得N有效测量电容值，依次激励N组激励电极后，共可获得N×N个有效测量电容值。以硬件系统为8个信号采集通道为例，采用传统的轮换激励方式可得到8×(8-1)/2＝28个非冗余的有效测量电容值，而通过本发明可以获得8×8＝64个非冗余的有效测量电容值，有效数据量增幅达128.6％，这对于ECT系统的实际应用是非常有利的。同时，由于本发明不仅可以得到测量空间的径向横断面的成像信息，还可以测量其轴向成像信息，本发明采用的成像算法为基于三维敏感度的直接三维成像算法，可实现对测量空间的三维成像，且重建图像具有较好的轴向分辨率。
附图说明
图1本发明三维电容层析成像信号检测系统整体结构图；
图2本发明传感器子系统示意图；
图3本发明主电极片阵列意图；
图4本发明数据采集及信号处理子系统结构框图；
图5本发明连接关系及信号传输关系图。
图中：1传感器子系统，2数据采集及信号处理子系统，3成像子系统，4绝缘管，5测量空间，6屏蔽罩，7主电极片，8屏蔽电极，9激励电极对，10检测电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明三维电容层析成像信号检测系统包括传感器子系统1、数据采集及信号处理子系统2和成像子系统3。传感器子系统1的主电极片阵列7通过数据线连接数据采集及信号处理子系统2的输入/输出端口I/O端口，数据采集及信号处理子系统2通过USB线连接成像子系统3。检测过程中，传感器绝缘管空腔的测量空间5内被测工质的分布位置、形状或温度、湿度、浓度等发生改变，均可能引起工质的介电常数发生变化，导致传感器子系统1中激励电极对9与检测电极10之间的测量电容值改变。通过与传感器子系统1连接的数据采集及信号处理子系统2，将检测电极10与激励电极对9之间电容值转换为检测电极10上的电压信号，并在数据采集及信号处理子系统2内对测量信号进行放大、滤波等调理，传输至成像子系统10，通过成像子系统10内置的ECT成像算法模块重建传感器子系统1中三维测量空间5内被测工质的介电常数分布。
如图2所示，所述传感器子系统1包括绝缘管4、屏蔽罩6、主电极片阵列7和屏蔽电极8。其中主电极片阵列7，如图3所示，分为激励电极对阵列9和检测电极片阵列10。所述传感器子系统1中绝缘管4为PVC或有机玻璃等绝缘材料制成的空心结构管道，绝缘管4外周布置有金属片围成的屏蔽罩6，用于屏蔽外界环境中的电磁噪声信号的干扰。绝缘管4内的空腔为传感器的测量空间5，系统工作时，被测工质通入绝缘管4空腔内。所述主电极片阵列7分为三层，位于屏蔽罩6内，固定在绝缘管4外壁，由无连接关系的多组主电极片7组成，其中位于同一圆周径向位置的三个电极片成为一组主电极片7，每组主电极片7由一个独立的检测电极片和两个相互连通的激励电极片组成；检测电极片10位于一组主电极片7的中间，两个激励电极片分别位于检测电极片的上下两端，通过导线或金属片连接成一组激励电极对9。多组主电极片7均匀固定在绝缘管外壁，位于同一平面。所述主电极片阵列7的上下两端布置有呈环形结构的屏蔽电极8，主电极片7与屏蔽电极8采用可导电的金属材料，如铜箔制成。传感器工作时，主电极片阵列7通过数据线连接数据采集及信号处理子系统2的输入/输出端口I/O端口，其中激励电极对阵列9通过数据采集及信号处理子系统2的输入/输出端口I/O端口与电压激励信号源模块连接，电压激励信号源模块输出的电压信号施加在激励电极对9上，检测电极片阵列10通过数据采集及信号处理子系统2的输入/输出端口I/O端口与信号检测处理模块连接，检测电极片10上的电压信号输入至信号检测处理模块的输入端。屏蔽电极8通过导线与绝缘管4外周布置的屏蔽罩6连接，并进行接地处理，使屏蔽电极8和屏蔽罩6均处于零电势，用于屏蔽外界环境中的电磁噪声信号对于主电极阵列测量信号的干扰。
如图4所示，数据采集及信号处理子系统2包括电压激励信号源模块、信号检测处理模块和控制模块。电压激励信号源模块由信号发生器和多路选择开关组成，信号发生器用于产生稳定的正弦信号激励，如频率为500kHz，幅值为15V的正弦激励信号。信号发生器的输入端连接控制模块，信号发生器的输出端与多路选择开关的输入端相连，并根据控制模块输入的选择控制信号，将多路选择开关的输入端口与多路开关选择模块的任意输出端口在模块内部直接相连，把信号发生器产生的电压激励信号施加到对应的激励电极阵列的电极片上。信号检测处理模块由电容-电压转换电路和信号调理模块组成。电容-电压转换电路接收控制模块输出的控制信号，在该控制信号下，电容-电压转换电路采集检测电极上流通界面边沿上的电压。电容-电压转换电路的输入端连接数据采集及信号处理子系统的输入/输出端口(I/O端口)，激励电极对与检测电极片之间的待测电容信号经电容-电压转换电路后，可等效为检测电极片上采集的电压信号；电容-电压转换电路的输出端连接信号调理模块的输入端，信号调理模块将接收的测量电压信号进行放大、滤波等调理后，提取检测电压信号的直流分量通过USB线连接成像子系统3的输入端。控制模块主要为微控制器，控制模块的输入端连接成像子系统，用于接收成像子系统的控制命令，控制模块的输出端分别与电压激励信号源模块的输入端、信号检测处理模块的输入端连接。
图5所示为本发明三维电容层析成像信号检测系统连接关系及信号传输关系图，所述电压激励信号源模块的输入端连接控制模块，电压激励信号源模块的一个输出端接地，电压激励信号源模块的另一个输出端与传感器子系统中的激励电极对阵列连接，用于在激励电极对上施加激励电压信号；所述信号检测处理模块的输入端连接控制模块和传感器子系统中的激励电极对阵列和检测电极片阵列，信号检测处理模块的输出端连接成像子系统。所述控制模块输入端连接成像子系统，控制模块的输出端分别与电压激励信号源模块的输入端、信号检测处理模块的输入端连接。
所述成像子系统3包括电容层析成像算法模块。数据采集及信号处理子系统的信号检测处理模块的输出信号连接成像子系统的输入端，经电容层析成像算法模块运算后，对三维测量空间内介电常数分布进行成像。所述的电容层析成像算法为基于三维敏感度的直接三维成像算法。所谓敏感度是描述传感器系统中介质的分布信息与极板间待测电容值之间的关系，本发明采用一种近似的三维敏感度计算方法，即电场强度法。该方法首先将传感器子系统的三维测量空间离散成若干个像素体，通过仿真计算得到在激励电极对Γi上施加幅值为U的电压后的三维测量空间内每个像素体上的电场强度Ei(x,y,z)，再通过仿真计算得到在检测电极片上施加幅值为U的电压后，三维测量空间内每个像素体上的电场强度Ej(x,y,z)，激励电极对Γi与检测电极片Γj之间第k个像素体的敏感度值可以按下式近似计算：
式中：x，y，z为第k个像素体的空间坐标，U为施加的激励电压幅值，Ei(x,y,z)和Ej(x,y,z)分别为对激励电极对Γi和检测电极片Γj施加电压时第k个像素体上的电场强度；Vk为第k个像素体的体积；i和j分别表示激励电极对和检测电极片的序号，且1≤i≤n,1≤j≤n，n为传感器子系统中的主电极片的组数。
根据式(1)计算得到的敏感度值包含了三维的空间信息，且由于激励电极对与检测电极片不在同一平面，因此该敏感度值可以很好地反映三维测量空间内介质的分布信息与极板电容值间的关系，不仅可以得到三维测量空间径向横断面的成像信息，还可以得到三维测量空间的轴向成像信息，使本发明信号检测系统具有三维成像特性，且重建图像具有较好的轴向分辨率。
每个像素体上的电位值由麦克斯韦方程组确定。三维测量空间内电位分布满足如下静电场拉普拉斯方程：
式中，ε0为真空介电常数，ε(x,y,z)为空间相对介电常数分布，φ(x,y,z)为空间电势分布，
为Nabla算子，x，y，z为三维测量空间的坐标。
激励电极对与检测电极片对应的边界条件不同，分别为：
激励电极对阵列的Dirichlet边界条件
式中，i和k均为激励电极对的序号，且1≤i≤n，1≤k≤n，n为传感器子系统的主电极片的组数，其中Γi表示激励电极对阵列中施加了激励电压的激励电极对，也称源电极对，Γk表示激励电极对阵列中除源电极对之外的其余电极对，U为施加在源电极片的激励电压值。
检测电极阵列的Dirichlet边界条件
φ(Γj)＝0 (4)
式中，j为检测电极片的序号，且1≤j≤n，n为传感器子系统的主电极片的组数，Γj表示检测电极阵列的检测电极片。
通过式(2)、式(3)和式(4)可以求解出三维测量空间内每个像素体上的电位值，进而根据式(1)可以得到三维测量空间的敏感度矩阵。
根据敏感度矩阵重建传感器测量空间内介电常数分布的ECT重建算法在现有的文献、专著等资料中有详细的论述，线性反投影(LBP)、Tikhonov正则化法、截断的奇异值分解法(TSVD)和Landweber迭代法等算法，都可以直接应用于本发明的成像方法中。
本发明三维电容层析成像信号检测系统中传感器子系统获得测量电容值数组的过程如下：
将传感器子系统的电极片阵列中8组主电极片按逆时针方向编号，电极的序号为i，1≤i≤8，整个测量过程中保持所有的检测电极均接地或与地同电位，一次测量过程中，包括8个步骤：第1步，通过电压激励信号源模块对序号为1的激励电极对上施加幅值为U的正弦交流电压，使之成为源电极对，数据采集及信号处理子系统2采集所有检测电极上的电压值，得到序号为1的源电极对与序号为1到8共8个检测电极之间的电容值；第2步，通过电压激励信号源模块对序号为2的激励电极对上施加幅值为U的正弦交流电压，使之成为源电极，数据采集及信号处理子系统2通过采集所有检测电极上的电压值，得到序号为2的源电极对与序号为1到8共8个检测电极之间的电容值；以此类推，第8步，通过电压激励信号源模块对序号为8的激励电极上施加幅值为U的正弦交流电压，使之成为源电极，数据采集及信号处理子系统采集所有检测电极上的电压值，得到序号为8的源电极对与序号为1到8共8个检测电极之间的电容值；因此，一次测量过程共可得到8×8个相互独立的测量电容变化值。测量时，检测电极阵列的每一个电极片连接与其对应的数据采集及信号处理子系统的输入端；数据采集及信号处理子系统可实现多个信号采集通道的同步数据采集，通过数据采集及信号处理子系统将源电极与检测电极之间的测量电容值转换为检测电极上的电压信号，同时将采集的电压信号进行放大、滤波等调理，通USB接口传输给成像子系统。
传感器在测量前首先要进行标定。一般选取测量空间为空场时，激励电极与检测电极之间的电容值数组作为低标定值，将测量空间充满介电常数比被测工质稍高的材料时，激励电极与检测电极之间的电容值数组作为高标定值，再将测量空间内材料清空，此时传感器测量得到的电容值可用于反映工质状态。例如，用于多相流检测，可将被测工质通入绝缘管内，获取工质的介电常数分布。
本发明三维电容层析成像信号检测系统整体工作过程如下：
1)通过介电常数已知的材料对传感器子系统进行标定；
2)在传感器子系统的测量空间内通入被测工质，经数据采集及信号处理子系统获得测量电容值数组；
3)在成像子系统内通过ECT重建算法对测量电容数组进行图像重建，得到传感器子系统的测量空间内被测工质的介电常数三维分布。
本发明在多通道同步采集的原理是：由于本发明中激励电极与检测电极是分离的，每个电极片对应具体的激励或检测模式，无需通过开关切换来选择电极的工作方式，既可以简化硬件系统的设计，又大大缩减了硬件切换时间，实现多通道同步采集，有效提高本发明三维电容层析成像信号检测系统的信号采集速率。
本发明的有益效果是，在不增加信号采集通道数量的前提下增加了有效测量数据量，提高成像子系统的空间分辨率。由于本发明的电容测量部分中激励电极对阵列与检测电极阵列是分离的，激励其中一组激励电极对，可以获得N个有效测量电容值，依次激励N组激励电极后，共可获得N×N个有效测量电容值。以硬件系统为8个信号采集通道为例，采用传统的轮换激励方式可得到8×(8-1)/2＝28个非冗余的有效测量电容值，而通过本发明可以获得8×8＝64个非冗余的有效测量电容值，有效数据量增幅达128.6％，这对于ECT系统的实际应用是非常有利的。同时，由于本发明不仅可以得到测量空间的径向横断面的成像信息，还可以测量其轴向成像信息，本发明采用的成像算法为基于三维敏感度的直接三维成像算法，可实现对测量空间的三维成像，且重建图像具有较好的轴向分辨率。
Claims (7)
1.一种三维电容层析成像信号检测系统，其特征在于，所述的检测系统包括传感器子系统(1)、数据采集及信号处理子系统(2)和成像子系统(3)；传感器子系统(1)的主电极片阵列(7)通过数据线连接数据采集及信号处理子系统(2)，数据采集及信号处理子系统(2)连接成像子系统(3)；检测过程中，传感器绝缘管空腔的测量空间(5)内被测工质的分布位置、形状或温度、湿度、浓度发生改变，引起工质的介电常数发生变化，导致传感器子系统(1)中激励电极对(9)与检测电极(10)之间的测量电容值改变；通过与传感器子系统(1)连接的数据采集及信号处理子系统(2)，将检测电极(10)与激励电极对(9)之间电容值转换为检测电极(10)上的电压信号，并经数据采集及信号处理子系统(2)对测量信号进行放大、滤波，传输至成像子系统(10)，通过成像子系统(10)内置的ECT成像算法模块重建传感器子系统(1)中三维测量空间(5)内被测工质的介电常数分布。
2.如权利要求1所述的三维电容层析成像信号检测系统，其特征在于，所述的传感器子系统(1)包括绝缘管(4)、屏蔽罩(6)、主电极片阵列(7)和屏蔽电极(8)；主电极片阵列(7)分为激励电极对阵列(9)和检测电极片阵列(10)；所述的绝缘管(4)为空心结构管道，绝缘管(4)外周布置有金属片围成的屏蔽罩(6)；绝缘管(4)内的空腔为传感器的测量空间(5)，系统工作时，被测工质通入绝缘管(4)空腔内；所述主电极片阵列(7)分为三层，位于屏蔽罩(6)内，固定在绝缘管(4)外壁，由无连接关系的多组主电极片(7)组成，其中位于同一圆周径向位置的三个电极片成为一组主电极片(7)，每组主电极片(7)由一个独立的检测电极片和两个相互连通的激励电极片组成；检测电极片(10)位于一组主电极片(7)的中间，两个激励电极片分别位于检测电极片的上下两端，通过导线或金属片连接成一组激励电极对(9)；多组主电极片(7)均匀固定在绝缘管外壁，位于同一平面；所述主电极片阵列(7)的上下两端布置有呈环形结构的屏蔽电极(8)，主电极片(7)与屏蔽电极(8)采用导电的金属材料制成；传感器工作时，主电极片阵列(7)通过数据线连接数据采集及信号处理子系统(2)的输入/输出端口，其中激励电极对阵列(9)通过数据采集及信号处理子系统(2)的输入/输出端口与电压激励信号源模块连接，电压激励信号源模块输出的电压信号施加在激励电极对(9)上，检测电极片阵列(10)通过数据采集及信号处理子系统(2)的输入/输出端口与信号检测处理模块连接，检测电极片(10)的电压信号输入至信号检测处理模块的输入端；屏蔽电极(8)通过导线与绝缘管(4)外周布置的屏蔽罩(6)连接，并进行接地处理，使屏蔽电极(8)和屏蔽罩(6)均处于零电势，用于屏蔽外界环境中的电磁噪声信号对于主电极阵列测量信号的干扰。
3.如权利要求1所述的三维电容层析成像信号检测系统，其特征在于，所述的数据采集及信号处理子系统(2)包括电压激励信号源模块、信号检测处理模块和控制模块；电压激励信号源模块由信号发生器和多路选择开关组成，信号发生器用于产生稳定的正弦信号激励，如频率为500kHz，幅值为15V的正弦激励信号；信号发生器的输入端连接控制模块，信号发生器的输出端与多路选择开关的输入端相连，并根据控制模块输入的选择控制信号，将信号发生器产生的电压激励信号施加到对应的激励电极阵列的电极片上；信号检测处理模块由电容-电压转换电路和信号调理模块组成；电容-电压转换电路接收控制模块输出的控制信号，在该控制信号下，电容-电压转换电路采集检测电极上流通界面边沿上的电压；电容-电压转换电路的输入端连接数据采集及信号处理子系统的输入/输出端口(I/O端口)，激励电极对与检测电极片之间的待测电容信号经电容-电压转换电路后，可等效为检测电极片上采集的电压信号；电容-电压转换电路的输出端连接信号调理模块的输入端，信号调理模块将接收的测量电压信号进行放大、滤波等调理后，提取检测电压信号的直流分量通过USB线连接成像子系统的输入端；控制模块主要为微控制器，控制模块的输入端连接成像子系统，用于接收成像子系统的控制命令，控制模块的输出端分别与电压激励信号源模块的输入端、信号检测处理模块的输入端连接。
4.如权利要求3所述的三维电容层析成像信号检测系统，其特征在于，所述电压激励信号源模块的输入端连接控制模块，电压激励信号源模块的一个输出端接地，另一输出端与传感器子系统(1)中的激励电极对阵列(9)连接，用于在激励电极对上施加激励电压信号；所述信号检测处理模块的输入端连接控制模块和传感器子系统(1)中的激励电极对阵列(9)和检测电极片阵列(10)，信号检测处理模块的输出端连接成像子系统；所述控制模块输入端连接成像子系统，控制模块的输出端分别与电压激励信号源模块的输入端、信号检测处理模块的输入端连接。
5.如权利要求1所述的三维电容层析成像信号检测系统，其特征在于，所述的成像子系统(3)包括电容层析成像算法模块；数据采集及信号处理子系统(2)的信号检测处理模块的输出信号连接成像子系统(3)的输入端，经电容层析成像算法模块运算后，对三维测量空间内介电常数分布进行成像。
6.如权利要求1所述的三维电容层析成像信号检测系统，其特征在于，所述的重建传感器子系统(1)中三维测量空间(5)内被测工质的介电常数分布的方法如下：首先将传感器子系统(1)的三维测量空间离散成若干个像素体，通过仿真计算得到在激励电极对Γi上施加幅值为U的电压后的三维测量空间内每个像素体上的电场强度Ei(x,y,z)，再通过仿真计算得到在检测电极片上施加幅值为U的电压后，三维测量空间内每个像素体上的电场强度Ej(x,y,z)，激励电极对Γi与检测电极片Γj之间第k个像素体的敏感度值按下式近似计算：
式中：x，y，z为第k个像素体的空间坐标，U为施加的激励电压幅值，Ei(x,y,z)和Ej(x,y,z)分别为对激励电极对Γi和检测电极片Γj施加电压时第k个像素体上的电场强度；Vk为第k个像素体的体积；i和j分别表示激励电极对和检测电极片的序号，且1≤i≤n,1≤j≤n，n为传感器子系统中的主电极片的组数；
根据式(1)计算得到的敏感度值包含了三维的空间信息，且由于激励电极对与检测电极片不在同一平面，因此该敏感度值反映了三维测量空间内介质的分布信息与极板电容值间的关系，不仅可以得到三维测量空间径向横断面的成像信息，还可以得到三维测量空间的轴向成像信息，使所述的信号检测系统具有三维成像特性，且重建图像具有较好的轴向分辨率；
每个像素体上的电位值由麦克斯韦方程组确定，三维测量空间内电位分布满足如下静电场拉普拉斯方程：
式中，ε0为真空介电常数，ε(x,y,z)为空间相对介电常数分布，φ(x,y,z)为空间电势分布，
为Nabla算子，x，y，z为三维测量空间的坐标；
激励电极对与检测电极片对应的边界条件不同，分别为：
激励电极对阵列的Dirichlet边界条件
式中，i和k均为激励电极对的序号，且1≤i≤n，1≤k≤n，n为传感器子系统的主电极片的组数，其中Γi表示激励电极对阵列中施加了激励电压的激励电极对，也称源电极对，Γk表示激励电极对阵列中除源电极对之外的其余电极对，U为施加在源电极片的激励电压值；
检测电极阵列的Dirichlet边界条件
φ(Γj)＝0 (4)
式中，j为检测电极片的序号，且1≤j≤n，n为传感器子系统的主电极片的组数，Γj表示检测电极阵列的检测电极片；
通过式(2)、式(3)和式(4)求解出三维测量空间内每个像素体上的电位值，进而根据式(1)得到三维测量空间的敏感度矩阵。
7.如权利要求1至6的任一项所述的三维电容层析成像信号检测系统，其特征在于，所述的传感器子系统(1)获得测量电容值数组的过程如下：
将传感器子系统(1)的电极片阵列中N组主电极片按逆时针方向编号，电极的序号为i，1≤i≤N，整个测量过程中保持所有的检测电极均接地或与地同电位，一次测量过程包括以下步骤：
第1步，通过电压激励信号源模块，对序号为1的激励电极对施加幅值为U的正弦交流电压，使之成为源电极对；数据采集及信号处理子系统(2)采集所有检测电极的电压值，得到序号为1的源电极对与序号为1到N共N个检测电极之间的电容值；
第2步，通过电压激励信号源模块对序号为2的激励电极对上施加幅值为U的正弦交流电压，使之成为源电极，数据采集及信号处理子系统(2)通过采集所有检测电极上的电压值，得到序号为2的源电极对与序号为1到N共N个检测电极之间的电容值；
以此类推，第N步，通过电压激励信号源模块对序号为N的激励电极上施加幅值为U的正弦交流电压，使之成为源电极，数据采集及信号处理子系统(2)采集所有检测电极上的电压值，得到序号为N的源电极对与序号为1到N共N个检测电极之间的电容值；
因此，一次测量过程共可得到N×N个相互独立的测量电容变化值；测量时，检测电极阵列(10)的每一个电极片连接与其对应的数据采集及信号处理子系统(2)的输入端；数据采集及信号处理子系统(2)实现N个信号采集通道的同步数据采集，通过数据采集及信号处理子系统(2)将源电极与检测电极之间的测量电容值转换为检测电极上的电压信号，同时将采集的电压信号进行放大、滤波，通USB接口传输给成像子系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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